Strækbar polymer leder strøm og reparerer sig selv

Illustration: Twentieth Century Fox

For ni år siden modtog Scientariet en undren. At dømme ud fra læsertallet optog emnet yderst mange af jer.

»Eksisterer der et materiale, hvor de samme polymerkæder både leder elektrisk strøm og har elastiske egenskaber?«

Spørgsmålet blev besvaret af Frederik C. Krebs, der arbejder med at udvikle en ny type solceller i plastik og er seniorforsker på Risø-DTU.

Læs også: Spørg Scientariet: Kan gummi lede elektricitet?

»Nej ikke rigtigt,« svarede Frederik C. Krebs og uddybede:

»Oftest er ledende polymer ret stive, konjugerede molekyler og ikke ret elastiske. Der er dog eksempler, der opfylder betegnelsen 'elektrisk ledende gummi' dårligt, såsom blandinger af polyanilin og polystyrensulfonsyre. Disse er i sig selv elektrisk ledende samt elastiske, men ikke rigtig gummiagtige som for eksempel en hoppebold.«

Strækbart, selvhealende og strømledende

Forskere fra University of California og University of Boulder hævder nu at have udviklet et gennemsigtigt, selvhealende og særdeles strækbart materiale, der ovenikøbet er elektrisk ledende.

Altså grundlæggede et legeme af stof, som kan lede atomer eller molekyler, mens stoffet tilmed også er gennemsigtigt, kan reparere sig selv og er elastisk – faktisk helt op til 50 gange dets oprindelige form.

»At skabe sådan et materiale med de egenskaber har voldt os hovedbrud i mange år. Nu har vi gjort det og er først lige begyndt at udforske anvendelsesmulighederne,« sagde adjungeret professor i kemi ved University of California, Chao Wang i forbindelse med en præsentation af materialet under et igangværende landsmøde for The National Meeting & Exposition of the American Chemical Society.

Materialeforskningen er desuden publiceret i tidsskriftet Advanced Material. Her åbnes der op for en flig af brugbarheden; eksempelvis til kunstige muskler, robotter der reparerer sig selv, biosensorer eller forlængelse af levetiden for lithium-ion- batterier.

Chao Wang begrunder selv sin interesse i selvhealende materialer med sin livslange faible for tegneseriefiguren Wolwerine (for os gamle X-Men-fans, før anglificeringen tog over, oprindeligt kendt som Jærven).

»Da jeg var ung, var Wolverine fra X-Men mit idol. Han kunne redde verden, men udelukkende fordi han kunne heale sig selv. Det selvreparerende materiale, som bliver skåret over, kan finde sammen af sig selv igen, som om intet er hændt,« siger Chao Wang fra University of California.

Universitet har heller ikke har forsømt chancen for at præsentere materialeforskningen og spille på tegneserie-referencen:

Hemmeligheden i at skabe et selvhealende materialer gemmer sig i materialets såkaldte kovalente binding, altså molekyleforbindelsen i forbindelse med en kemisk binding mellem to atomer.

Her er kovalente bindinger typisk stive, mens ikke-kovalente bindinger er svagere og mere formbare. Eksempelvis skyldes de flydende egenskaber ved vand dets ikke-kovalente brintbindinger, der omgrupperer sig.

Læs også: Billig polymer giver lithium-ion-batterier længere liv

»De fleste selvhealende polymer-kæder består af brintbindinger eller metal-ligand-komplekser (når et molekyle eller ion bliver bundet til et centralatom red.), mens disse egner sig ikke til at lede strøm,« fortæller Chao Wang.

Hele tre ting i én

De amerikanske forskere granskede derfor i stedet en anderledes form for ikke-kovalent binding kaldet en ion-dipol-binding. En ion-dipol-binding er kort fortalt den næststærkeste fysisk binding, vi kender mellem to molekyler, der er positivt og negativt ladede.

»Tiltrækningskraften i ion-dipol-bindinger er aldrig før blevet anvendt, når man forsøger at producere selvhealende polymerer, men det viser sig, at de bindinger faktisk er særdeles velegnede til at lede ioner,« beretter Chao Wang.

Tricket i at udvikle det strømledende, strækbare, selvhealende materiale bestod ydermere i at vælge den rette form for strækbar polymer, som er polær, altså et stof der har en positivt elektrisk ladet ende og en negativt elektrisk ladet ende og derfor besidder de samme flydende, formbare egenskaber som vand.

Valget faldt på en polymerkæde, der beviser, at kært barn har mange navne; PVDF-HFP, hexafluoropropene copolyme, Viton eller mest kendt som poly. En polymerkæde bestående af vinyliden fluorid-co-hexafluorpropylen).

Læs også: Akrobatisk polymer høster energi fra fugt

Du har formentlig bakset og kastet rundt med poly, når du har skulle ordne dine tv- og internetkabler. For poly er særligt anvendelig som belægning på ledninger og kabler på grund af dets fleksible og korrosionsmodstandsdygtige egenskaber.

Poly blev mikset med en ionisk væske, i dette tilfælde salt. Tiltrækningskraften ved en ion-dipol-binding sørger så for, at de to polære stoffer, altså de negative og positive poler i henholdsvis poly og den ioniske væske, gerne vil hænge sammen.

Resultatet er et materiale, der kan strækkes op til 50 gange dets størrelse. Hvis man skærer i det, vil materialet lappe sig selv sammen i løbet af cirka 24 timer.

Polymerkæden er både strækbar og elektrisk ledende. Illustration: ACS

For at teste, om materialet leder strøm ordentligt – en ret essentiel egenskab, hvis det skal have nogen fremtid indenfor elektriske produkter – placerede forskerne en ikke-ledende membran imellem to lag af materialet for at skabe en kunstig muskel. Det nye materiale reagerede på elektriske signaler ved at bevæge sig.

Næste skridt for forskerne er at ændre selve polymeren i håbet om at forbedre materialets egenskaber. Især ligger det forskerne på sinde at forbedre dets modstandsdygtig under forhold med høj fugtighed.

»Andre eksempler på selvhealende polymer har fungeret skidt under høj fugtighed. Vand trænger ind og forvolder skade, hvilket ændrer dets mekaniske egenskaber. Lige nu prøver vi at skrue på de kovalente binder indeni selve polymeren for at gøre materialet klar til brug i hverdagssituationer,« siger Chao Wang.

Frederik C. Krebs fra Risø DTU har ikke ønsket at kommentere på udmeldingen fra University of California.